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j6驾驶室摘 要：随着“碳达峰”和“碳中和”目标的提出，交通运输业电气化的目标进一步加快。其中电动汽车现在面临着 由于低温采暖而造成的续航里程衰减严重和制冷剂选择等难题。本文通过总结相关文献，综述了提高电动汽车 续航里程的 CO2 热泵空调技术和电动汽车整车热管理系统。在制冷剂选择上，分析了 R134a、R1234yf、R290、 CO2 四种新型制冷剂的优缺点；在 CO2 循环系统中，介绍了基本跨临界 CO2 循环系统的特点，重点阐述了对基 本跨临界 CO2循环系统的优化，其中包含带回热器的跨临界 CO2循环系统及使用补气增焓技术的跨临界 CO2循 环系统；对于热泵空调在电动汽车上的应用，分析了直接热泵的三换热器系统和二次回路系统的的工作模式和 各自的特点；对于 CO2 热泵空调在整车热管理上，介绍了电动汽车乘员舱、动力电池和驱动电机热管理的需求， 展示了直冷直热系统和二次回路系统的优缺点；最后总结指出 CO2 热泵空调系统将有效解决电动汽车冬季续航 里程衰减严重的问题且能在整车热管理上发挥巨大作用，同时仍亟需在高温工况制冷、耐压、密封、控制和集 成等问题上进一步探索。
由于传统燃油汽车消耗大量石油并排放汽车尾气，为了应对化石能源短缺、环境持续恶化等
问题和 达到“碳达峰”和“碳中和”的目标，发展新能源汽车是当前缓解两大难题的有效途径[1]。随着科技革命与产 业变革的不断推进，交通运输业电气化将是汽车产业的发展潮流和趋势，同时发展电动车是未来我国汽 车工业产业结构调整与转型升级的重要战略举措[2]。续航里程不足和难以提高是当前限制纯电动汽车发展的主要因素。空调系统作为纯电动车仅次于电 动机的耗能系统，其能耗的降低将对续航里程的提升至关重要，且空调系统的性能也已成为现代汽车消 费者的基本要求。不同于燃油车的是纯电动汽车由于没有内燃机，所以在冬季的乘员舱采暖无法使用内燃机的余热。目前，电动汽车空调系统普遍是夏季时采用蒸汽压缩式空调制冷和冬季时利用电池对 PTC(Positive Temperature Coefficient,正温度系数)材料通电加热以满足乘员舱的采暖需求。根据美国汽车工业协会 (SAE)研究[3]，采用空调制冷和加热 PTC 材料制热的能源消耗占整车能源消耗的 33%。同时 LEE 等[3]研 究指出纯电动汽车在冬季动力电池衰减严重且采用加热 PTC 材料采暖情况下满负荷运转，其续航里程将 降低近 50%。此外，通过 PTC 材料将电能转化为热能 COP 是不可能超过 1.0，但热泵系统的理论运行 COP 可以大于 1.0。若电动汽车采用热泵型空调系统代替加热 PTC 材料满足冬天的取暖需求时，将可以 显著提高行驶里程，推动电动汽车快速发展。目前，电动汽车空调的制冷剂使用的是 R134a，该制冷剂是一种无氯氟利昂，不会破
坏臭氧层，但 是其是一种高温室效应气体，GWP（全球变暖潜能值）高达 1350。欧盟于 2006 年 5 月出台了关于汽车 空调 MAC 指令 2006/40/EC，指令规定 2017 年之后所有汽车空调的制冷剂 GWP 值不得高于 150[5]，基 本禁止了 R134a 的使用。美国环保部也于 2021 年将 R134a 从 SNAP(Significant New Alternative Program,重大新代替品政策计划)目录中删除[6]。因此，为应对全球气候变暖，急需寻新型制冷剂代替 R134a。其中，自然工质 CO2从新回到人们的视线，其 ODP（消耗臭氧潜能值）为 0，GWP 仅为 1，泄 露的 CO2对环境的影响也微乎其微，表现出对环境的友好性。前国际制冷学会主席 LORENTZEN 等人对 自然工质进行了大量研究，他认为 CO2 有望在汽车空调领域得到大量应用[7]。所以 CO2 将是电动汽车空 调制冷剂 R134a 的优秀替代品。纯电动汽车中的热管理主要分为电池系统热管理、电机系统热管理和空调系统热管理。在传统的电 动汽车中，三大系统的热管理通常是各自独立的，缺乏对整车热量的统一管理，热管理效率较低。所以 需在新一代电动汽车设计之初便利用热泵型空调产生的冷量和热量完成乘员舱制冷与供暖、动力电池与 电机的温度控制，实现整车热量进行集成式管理，从而大幅提高车辆整车的热管理效率，提高整车能量 利用率。本文介绍了跨临界 CO2 热泵系统及其在电动汽车上的应用，首先简介了 CO2 作为制冷剂逐步得到推 广的原因，重点分析了跨临界
CO2 循环及其优化，其次介绍了 CO2 热泵循环在电动汽车上的应用和集成 式的整车热管理系统，最后提出了 CO2热泵系统在电动汽车上应用亟需解决的问题。
1 制冷剂的选择
随着《蒙特利尔协定书》的签订，以 R134a、R410a 和 R407C 为代表的无氯氟利昂制冷剂得到广 泛使用，其中 R134a 的 ODP 为零，在汽车空调领域使用十分广泛。但 R134a 的 GWP 偏高，已经成为 造成温室效应的重要因素之一。欧盟规定 2017 年之后的车用制冷剂的 GWP 不能大于 150，基本上禁止 了 R134a 的使用。《〈蒙特利尔协定书〉基加利修正案》指出中国需在 2024 年将氢氟碳化物的生产和 消费冻结在基线水平。所以急需寻安全可靠且 ODP 和 GWP 符合规定值的制冷剂。其中 R1234yf、 R744 和 R290 由于 ODP 为零、GWP 低和具备制冷剂所需物性的特点成为了研究重点，表 1 展现了这几 种制冷剂和 R134a 的基本物性。但这几种制冷剂各有优缺点，现阶段对于下一代制冷剂的选取仍存在争 议
今晚油价将下调R1234yf 具有微弱的可燃性，其热物理性质与 R134a 十分接近。有学者对两者的性能进行了对比， ARAL 等[8]在电动汽车热泵空调系统中分别对 R134a 和 R1234yf 的制热性能进行了研究，实验结果表明：R1234yf 的 COP 比 R134a 低 3.6%，制热量相较于 R134a 略高。由此可见 R1234yf 与 R134a 的基本物 性与性能都十分接近，如使用 R1234yf 代替 R134a，现在的电动汽车热泵空调系统不需要改变，缩短研 发周期。但是 R1234yf 与 R134a 相同，其在低温环境下 COP 低、制热量不足,且 R1234yf 价格相对于其 它制冷剂价格高，经济性较差。对于我国幅员辽阔，南北气温差异大，极大限制了 R1234yf 的大规模推 广。
R290（丙烷）是一种可以直接在液化气中获取的天然碳氢工质，其来源广泛，价格低廉，昌河二手车
大众网站且 ODP 为零、GWP 仅为 3，表现出对环境的友好性。SHI 等[9]对 R134a 和 R290 在电动汽车热泵空调的应用进 行了理论分析，并利用软件对两种工质进行了数值模拟。模拟结果表明：在蒸发温度为-20℃时， R290 的制热量相较于 R134a 系统提高了 51,3%，COP 提高了 3.7%。由此可见 R290 可以克服 R134a 在低温 环境下的制热量不足的问题，十分适合于电动汽车空调。但是 R290 在密闭空间中的浓度在 2.1%-9.5% 范围内存在爆炸的危险，在汽车狭小密封的环境中，R290 会增加行驶过程的安全隐患。
CO2是天然制冷剂，化学性质稳定，作为制冷剂的安全等级为 A1，其 ODP 为零，GWP 仅为 1，对 环境影响极小。此外，CO2 作为制冷剂的热力学性能良好，在制冷量以及流动阻力方面优于其他制冷剂， 此外，其在低温下的制热性能优良的特点十分适用在纯电动汽车的空调系统。因此传统制冷剂 CO2 再次 回到了人们的考虑范围
2 车用 CO2热泵系统
2.1 跨临界 CO2热泵简介
惠深沿海高速公路CO2 与传统制冷工质热物性有很大不同，它的临界温度仅为 31.1℃，临界压力为 7.37MP
a。对于车 用 CO2 热泵系统而言，其高压侧的放热过程在临界点之上的超临界区域内，低压侧的蒸发吸热过程在亚 临界区域内，所以车用 CO2热泵系统只能采用跨临界循环。在跨临界 CO2循环中，高压侧 CO2在放热过 程中一直处于超临界区域只进行显热的交换不发生相变，所以在跨临界 CO2 循环中将冷凝器称为气体冷 却器。跨临界 CO2 循环系统与传统工质热泵系统在装置组成上区别不大，主要由压缩机、气体冷却器、 蒸发器和节流装置四部分组成，此外，有时会设置气液分离器、控制系统和自动控制装置等辅助装置， 跨临界 CO2热泵系统的基本流程图和 p-h 图如图 1 所示。
理论上，与传统的蒸汽压缩循环相比，跨临界 CO2 循环在相同条件下效率较低,主要是由两个因素造 成的：其一是在跨临界 CO2 循环中 CO2 在气体冷却器中的平均温度高，导致在冷却过程中热损失较大；另一个因素是由于跨临界 CO2循环在 CO2在膨胀装置前后压差大，节流过程中熵增较大[10]。对于跨临界 CO2 压缩机，由于 CO2 工作压力高、压差大，所以对 CO2 压缩机的强度、密封和润滑等方面提出了新的 要求。虽然跨临界 CO2 循环压差大，但是其压比仅为 3 左右（其它车用制冷剂压缩循环压比达到 8 左 右），因此跨临界 CO2 循环的压缩机有更高的效率，且余隙容积小，压缩机的尺寸可以减小[11]。CO2 在 气体冷却器中的冷却过程是在超临界状态下的单相传热，定压比热是影响其传热的重要因素，CO2 在临 界点附近定压比热值较高，因而控制 CO2 在气体冷却器中传热在临界点附近能有效提高换热效率。并且 CO2 在气体冷却器中的进出口温度对整个系统的 COP 具有重要影响，CO2 气体冷却器出口温度每下降 1℃，COP 大约提高 5%，故在设计 CO2 气体冷却器时，因尽量使气体冷却器出口温度接近空气进口温 度[12]。
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